Установка для получения кислорода из атмосферного воздуха

 

Изобретение относится к области адсорбционной техники и может быть использовано при разделении воздуха путем короткоцикловой безнагревной адсорбции с получением газовой смеси с повышенным содержанием кислорода. Установка состоит из воздушного компрессора, блока осушки и адсорбционного блока, содержащего ресивер, два заполненных сорбентом адсорбера, входные патрубки которых подключены к системе подачи сжатого воздуха, а выходные патрубки - к ресиверу, трубопроводы, соединяющие адсорберы с ресивером, источником сжатого воздуха, потребителем, и два параллельных трубопровода, соединяющих выходные патрубки адсорберов между собой, с установленными на них управляемыми клапанами и сужающими устройствами типа расходных шайб, причем проходные сечения расходных шайб различны и подобраны специальным образом, клапаны управления газовыми потоками и блок управления, осуществляющий переключение клапанов в определенной последовательности с целью реализации в адсорберах цикла адсорбция-регенерация. Технический результат - оптимизация величины расхода продуктового газа, подаваемого на регенерацию адсорбента, повышение эффективности процесса регенерации и улучшение рабочих характеристик установки в целом без дополнительных затрат энергии. 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области адсорбционной техники и может быть использовано при разделении воздуха путем короткоцикловой безнагревной адсорбции с получением газовой смеси с повышенным содержанием кислорода.

Известна короткоцикловая безнагревная адсорбционная установка для разделения воздуха с получением газовой смеси с повышенным содержанием кислорода, состоящая из воздушного компрессора и адсорбционного блока, содержащего ресивер, два заполненных сорбентом адсорбера, входные патрубки которых подключены к системе подачи сжатого воздуха, а выходные патрубки к ресиверу, трубопроводы, соединяющие адсорберы с ресивером, источником сжатого воздуха, потребителем и между собой, клапаны управления газовыми потоками и блок управления, осуществляющий переключение клапанов в определенной последовательности с целью реализации в адсорберах цикла адсорбция-регенерация /см. заявка Франция N 2569352, кл. B 01 D 53/02, A 61 M 16/10, 1986 г./ Недостатком известного устройства является отсутствие возможности нормирования расхода газа с повышенным содержанием кислорода, подаваемого на регенерацию адсорбента независимо в каждый из адсорберов, что не позволяет учитывать индивидуальные особенности массообменных и гидродинамических процессов, происходящих в них, и снижает эффективность работы установки в целом.

Наиболее близкой, принятой за прототип, является установка получения обогащенного кислородом воздуха, содержащая всасывающее устройство /компрессор/, влагоотделитель для подсушки воздуха и адсорбционный блок, состоящий из двух адсорберов с адсорбентом, ресивера, клапанов, соединительных трубопроводов /см. патент США N 4491459, кл. 55-163, 1985 г./ Вследствие неравенства рабочих характеристик адсорберов, которое всегда имеет место в реальных устройствах такого типа /различие по качеству адсорбента, различие гидравлического сопротивления слоя, различие геометрических размеров, причем отличия эти тем существеннее, чем больше размеры и чем сложнее конструкция/ эффективность работы этой установки ниже максимально достижимой, поскольку для уменьшения влияния этого фактора необходимо обеспечить возможность подачи газа на регенерацию каждого из адсорберов с расходом, соответствующим его индивидуальным особенностям, что в данной конструкции не предусмотрено.

Предложена установка для получения кислорода из атмосферного воздуха, состоящая из воздушного компрессора, блока осушки и адсорбционного блока, содержащего ресивер, два заполненных сорбентом адсорбера, входные патрубки которых подключены к системе подачи сжатого воздуха, а выходные патрубки к ресиверу, трубопроводы, соединяющие адсорберы с ресивером, источником сжатого воздуха, потребителем и между собой, клапаны управления газовыми потоками и блок управления, осуществляющий переключение клапанов в определенной последовательности с целью реализации в адсорберах цикла адсорбция-регенерация, отличающаяся тем, что в установку введен второй трубопровод, соединяющий выходной патрубок одного адсорбера с выходным патрубком другого, причем на первом и на втором трубопроводах установлены клапаны и сужающие устройства типа расходных шайб, причем проходные сечения расходных шайб различны и подобраны специальным образом.

Предлагаемая установка, в отличие от прототипа, имеет в составе адсорбционного блока два параллельных трубопровода, соединяющие выходные патрубки адсорберов, с установленными на них управляемыми клапанами и расходными шайбами разного диаметра. Это позволяет при отладке технологического цикла оптимизировать величину расхода продуктового газа, подаваемого на регенерацию адсорбента, независимо для каждого из адсорберов, что повышает эффективность процесса регенерации и улучшает рабочие характеристики установки в целом без дополнительных затрат энергии.

На чертеже представлена схема предлагаемой установки.

Установка включает в себя воздушный компрессор 1, блок осушки 2, адсорбционный блок 3, связанные между собой трубопроводами. Адсорбционный блок 3, в свою очередь, состоит из двух адсорберов АД1, АД2, заполненных сорбентом, в слое которого происходит преимущественная сорбция азота, ресивера АК, в котором происходит накопление продуктового газа и усреднение его концентрации, а также сглаживание колебаний давления, вызванных циклической работой установки, и системы трубопроводов а, б, в, г, д, е, связывающих адсорберы АД1, АД2 и ресивер АК между собой, с источником сжатого воздуха, с потребителем и с дренажной магистралью. На трубопроводах установлены управляемые клапаны K1.., К6, обратные клапаны K01, К02 и сужающие устройства типа расходных шайб ДРН1, ДРН2, обеспечивающие управление газовым потоками в адсорбционном блоке, с помощью блока управления БУ, осуществляющего переключение клапанов K1,..., К6 для попеременной реализации в адсорберах АД1, АД2 цикла адсорбция-регенерация.

Установка работает следующим образом.

Воздушный компрессор 1 засасывает атмосферный воздух, сжимает его до давления 8...10 кгс/см² и подает на вход блока осушки 2, в котором происходит отделение влаги и масла. Далее осушенный сжатый воздух поступает на вход адсорбционного блока 3. Блок управления БУ адсорбционного блока 3 управляет клапанами K1, ..., К6 таким образом, что каждый из адсорберов АД1, АД2, попеременно проходит цикл адсорбция-регенерация, причем в момент, когда один из них находится в стадии адсорбции, другой регенерируется.

Сжатый воздух, проходя по трубопроводу а через открытый клапан K1, поступает на вход адсорбера АД1 и движется через слой сорбента, в котором происходит преимущественная сорбция молекул азота. По мере повышения давления газа в адсорбере, концентрация кислорода на его выходе растет и достигает значения 90...95%.

Одновременно с этим из адсорбера АД2 осуществляется сброс оставшегося после предшествующей стадии адсорбции обогащенного азота газа, в дренаж через открытый клапан К4 и дренажный трубопровод б. По мере снижения давления в адсорбере АД2 происходит выделение молекул азота, поглощенных сорбентом ранее, т.е. его регенерация.

При достижении давления газа в адсорбере АД1 величины, большей, чем давление в ресивере АК, обратный клапан K01 автоматически открывается, и продуктовый газ с выхода АД1 поступает в ресивер АК. Одновременно с этим открывается клапан К5 и продуктовый газ по трубопроводу в через расходную шайбу ДРН 1 с оптимальным расходом поступает в выходной патрубок адсорбера АД2 и далее через слой сорбента и через открытый клапан К4 в дренажный трубопровод б, осуществляя продувку слоя от остатков обогащенного азотом газа.

Через определенный промежуток времени дренажный клапан К4 закрывается и в адсорбере АД2 происходит частичное восстановление давления за счет продолжающейся подачи продуктового газа с выхода АД1.

Во время осуществления продувки и частичного восстановления давления в АД2 продуктовый газ продолжает поступать в ресивер АК через обратный клапан K01, возмещая потери давления в ресивере, вызванные отбором газа потребителю.

При достижении давления газа в АД2 оптимальной величины, клапаны К5 и K1 закрываются и открываются клапаны К2 и К3 и цикл повторяется таким образом, что в адсорбере АД2 начинается стадия адсорбции, а в адсорбере АД1 - стадия регенерации, причем продувка и частичное восстановление давления в АД1 осуществляется подачей газа с выхода АД2 через открытый клапан К6 по трубопроводу г с оптимальным расходом, определяемым проходным сечением расходной шайбы ДРН2, и закрытием клапана К3, а потери давления в ресивере АК, вызванные отбором газа потребителю, возмещаются подачей продуктового газа с выхода АД2 через обратный клапан К02 по трубопроводу д.

Подбор проходных сечений расходных шайб для оптимизации процесса регенерации сорбента осуществляется расчетно-экспериментальным методом, который заключается в следующем: на стадии проектирования рассчитывают ориентировочный диаметр отверстия расходной шайбы по следующей формуле где d - диаметр отверстия расходной шайбы, см; 3,62·10^-2 - коэффициент, определяющий минимально необходимое значение расхода продувочного газа через единицу площади сечения адсорбера (определен экспериментально), кг/(c·см²); S - площадь поперечного сечения адсорбера, см²; T - температура газа перед расходной шайбой, К; μ - - коэффициент расхода расходной шайбы; P - расчетное значение давления адсорбции, кгс/см²;
B^*- коэффициент рода газа, в нашем случае B^* = 0,417 (для кислорода при надкритическом перепаде давлений).

При изготовлении в трубопроводы В, Г устанавливают расходные шайбы с диаметром отверстия, равным расчетному значению d. В процессе отладки фиксируют значение давления в каждом из адсорберов в конце стадии адсорбции. Диаметр отверстия расходной шайбы, устанавливаемой в трубопровод, через который осуществляется продувка адсорбера, имеющего большее давление в конце стадии адсорбции при условии установки в оба трубопровода расходных шайб с диаметром отверстия d, определяется экспериментально из условия достижения максимальной концентрации кислорода путем последовательного его увеличения от значения d до d₁ с шагом 0,05-0,1 мм.

Так например, при испытаниях макетного образца предлагаемой установки, были получены следующие результаты (см. таблицу).

Таким образом предлагаемая установка для получения кислорода из атмосферного воздуха позволяет при тех же затратах энергии, что и у прототипа, получить более высокие технические характеристики.

Формула изобретения

Установка для получения кислорода из атмосферного воздуха, состоящая из воздушного компрессора, блока осушки и адсорбционного блока, содержащего ресивер, два заполненных сорбентом адсорбера, входные патрубки которых подключены к системе подачи сжатого воздуха, а выходные патрубки - к ресиверу, трубопроводы, соединяющие адсорберы с ресивером, источником сжатого воздуха, потребителем и между собой, клапаны управления газовыми потоками и блок управления, осуществляющий переключение клапанов в определенной последовательности с целью реализации в адсорберах цикла адсорбция - регенерация, отличающаяся тем, что в установку введен второй трубопровод, соединяющий выходной патрубок одного адсорбера с выходным патрубком другого, причем на первом и на втором трубопроводах установлены клапаны и сужающие устройства типа расходных шайб, причем проходные сечения расходных шайб различны и диаметр отверстия одной из них определяется по формуле

где d - диаметр отверстия расходной шайбы, см;
3,62 · 10^-2 - коэффициент, определяющий минимально необходимое значение расхода продувочного газа через единицу площади сечения адсорбера (определен экспериментально), кг/(с · см²);
S - площадь поперечного сечения адсорбера, см²;
Т - температура газа перед расходной шайбой, К;
μ - коэффициент расхода расходной шайбы;
Р - расчетное значение давления адсорбции, кгс/см²;
В^* = 0,417 - коэффициент рода газа,
а диаметр отверстия другой расходной шайбы, устанавливаемой в трубопровод, через который осуществляется продувка адсорбера, имеющего большее давление в конце стадии адсорбции при условии установки в оба трубопровода расходных шайб с диаметром отверстия d, определяется экспериментально из условия достижения максимальной концентрации кислорода путем последовательного его увеличения от значения d до d₁ с шагом 0,05 - 0,1 мм.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2